[發明專利]一種超聲相控陣虛擬源稀疏全聚焦成像方法

在審

• 申請號: 202211516637.7
• 申請日: 2022-11-29
• 公開（公告）號: CN115951362A
• 公開（公告）日: 2023-04-11
• 發明（設計）人: 馬世偉;杜冰旭;宋俊穎
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: G01S15/89
• 分類號: G01S15/89;G06N3/126
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 何文欣

本發明公開了一種基于陣列稀疏優化的超聲相控陣虛擬源全聚焦成像方法。該方法首先利用遺傳算法對稀疏發射陣列的布局進行優化設計，得到最佳陣列布局方案。之后，根據稀疏陣列與全陣列的聲場一致性，對稀疏接收陣列進行有效孔徑補償，在減少有效陣元數目的同時，提升稀疏全聚焦成像質量。最后，針對高聲衰減材料中微小缺陷的檢測問題，結合優化設計的稀疏陣列構造虛擬源，代替實際稀疏陣列中的有效陣元，增強了聚焦聲束能量，進一步提高了對于微小缺陷的分辨能力。通過本發明提出的稀疏全聚焦成像方法，可在保證成像質量的同時，極大地減少了成像算法使用數據量，提高了成像效率，并且適用于微小缺陷的檢測。

技術領域

本發明屬于利用超聲相控陣檢測儀器對結構材料內部缺陷或損傷進行無損檢測與成像評價的技術領域。具體涉及一種超聲相控陣虛擬源稀疏全聚焦成像方法，本方法僅采用超聲波相控陣換能器陣列中的部分有效陣元，構建虛擬源稀疏陣列，進行超聲相控陣虛擬源稀疏全聚焦成像。

背景技術

超聲相控陣檢測和成像技術是一種新型的超聲波掃描檢測技術，可廣泛應用于對工業和民用各類設施中的金屬、非金屬或復合材料結構件的內部缺陷或損傷進行無損檢測與成像評價，也已在醫學檢測診斷領域得到了廣泛應用。該技術使用的超聲波換能器陣列是由一組相互獨立的壓電晶片(陣元)按照一定的空間布局排列構成線性相控陣列，通過超聲相控陣檢測儀器中的相控延時控制電路和控制軟件，精確控制換能器中的各個陣元依次激發出相同頻率、不同相位的超聲波到被測介質中，同時利用各個陣元接收經過被測介質中傳播的超聲反射回波信號，通過合成波束的聚焦和偏轉等信號處理技術，實現對被測介質內部損傷或缺陷的掃描檢測和成像顯示。與其它的超聲波檢測技術相比，相控陣檢測技術可通過軟件來控制掃描聲束的角度、聚焦范圍和聚焦尺寸等參數，各列聲波在空間中互相干涉，從而靈活控制合成波陣面的偏轉角度，實現聚焦、偏轉、動態孔徑等多種相控方式，進行多角度大范圍的掃查，其檢測效率、靈敏度和分辨率都更高。

常規的超聲相控陣全聚焦(Total?Focus?Method,TFM)成像技術，使用相控陣換能器中的全部陣元進行超聲波激勵和接收，能夠實現全范圍動態聚焦，其成像方法采用全矩陣采集(Full?Matrix?Capture,FMC)和全矩陣數據模型，也就是利用全部陣元構成的發射-接收組合來采集大量的超聲波A掃描時域信號構造出全聚焦圖像，直觀凸顯出被測材料內部損傷或缺陷的位置和數量等信息，具有較大探測范圍和較高的缺陷分辨能力。但是，由于全陣元方法需要采集完備的全矩陣數據以進行離線后處理，成像所需的信號數據量大、算法復雜、計算費時，效率很低且功耗大，導致其難以在工業實時檢測和成像中得到應用。

超聲相控陣稀疏全聚焦(稀疏TFM)成像方法指的是僅利用連線陣列相控陣換能器中的部分陣元，進行超聲波激勵和接收，這部分陣元稱為有效陣元。通過選擇線性陣列中不同位置的有效陣元，構造一個由有效陣元組成的稀疏陣列，并對有效陣元的發射和接收信號采用多種形式的權重補償，可利用稀疏陣列獲取的超聲波A掃描時域信號重構出稀疏全聚焦圖像。這類方法可大幅度減少成像方法所需數據量，同時可減少陣元間相互干擾、減少功率消耗，在盡可能不降低檢測分辨能力和成像質量的情況下，有效提升超聲無損檢測和成像的效率。

但是，與全陣元成像方法相比：一方面，稀疏全聚焦成像方法對于內部微小缺陷的檢測精細度以及成像質量與各個有效陣元的位置有關，需要根被測對象，優化選擇不同位置的有效陣元來構成稀疏陣列，也就是要對稀疏陣元的布局進行優化設計；另一方面，隨著稀疏陣列中有效陣元數目的減少，陣列的聲束總能量會變弱，聲束指向性會發生變化，造成聲束聚焦能力下降，陣列的有效孔徑會減小，造成缺陷檢測分辨能力下降，加上被測材料往往對超聲波有較強的衰減，會降低微小缺陷檢測能力和成像效果。

發明內容